دور هشاشة مُكوِّنات الزجاج في انتقال الانهيار تحت القص التذبذبي

لماذا يهم الزجاج الذي لا يتحطم

من شاشات الهواتف الذكية إلى أجزاء معدنية في الطائرات، تعتمد العديد من التقنيات اليومية على مواد زجاجية قوية لكنها عرضة للفشل المفاجئ. تبحث هذه الدراسة داخل هذه المواد غير المرتبة لطرح سؤال بسيط وعملي: عندما ننحنيها أو نهزّها مراراً، ما الذي يقرر ما إذا كانت ستفشل برفق أم تنكسر دون سابق إنذار؟ يبيّن المؤلفون أن الإجابة مرتبطة بصفة رئيسية للسائل الذي نشأ منه الزجاج، تُدعى الهشاشة، والتي تربط بين كيفية تدفق السائل وكيف ينكسر الصلب الزجاجي في نهاية المطاف.

كيف تستسلم المواد غير المرتبة

على عكس البلورات التي تصطف ذراتها بنماذج مرتبة، تملك المواد اللّامبلورية مثل الزجاج المعدني وزجاج السيليكا والعديد من البوليمرات بنية داخلية مشوّشة. عند تشويهها بلطف، ترتدّ كما المواد المرنة العادية. لكن عند تشوهات متكررة أكبر، تبدأ بإعادة ترتيب عبر العديد من الأحداث الصغيرة غير القابلة للانعكاس، وفي نقطة ما تنهار وتبدأ بالجريان. يركّز الفريق على القص التذبذبي، وهو حركة قص محكومة ذهاباً وإياباً تتيح لهم تحديد بداية الانهيار على شكل قفزة حادة في الطاقة أو الإجهاد. ويسألون كيف يعتمد هذا الحدّ على مدى استرخاء أو معالجة الزجاج حرارياً قبل الاختبار.

هش مقابل قوي: شخصيتان للزجاج

لاستكشاف ذلك، يحاكي الباحثون مجموعة واسعة من الزجاجات النموذجية، بما في ذلك كرات ناعمة، وسيليكا مكوّنة من شبكات، ومكوّنات زجاج جزيئية، وتجميعات شبيهة بالحبيبات، وزجاجات معدنية. تغطي هذه مجموعة كبيرة من الهشاشات، وهو مقياس لمدى سرعة تباطؤ تدفق السائل عند التبريد. يجدون أن الحالات قليلة المعالجة تتصرف جميعها بطريقة مماثلة: مع ازدياد شدة التشويه، تنخفض الطاقة المستقرة أولاً ثم ترتفع مجدداً عند انفعال حرج، مما يدلّ على الانهيار. تحت مستوى التحضير الحرج هذا، يكون مقدار الانفعال عند الانهيار ثابتاً عملياً ولا يعتمد على تاريخ العينة. ومع تحسّن تحضير العينات عبر المعالجة الحرارية، يظهر انقسام. في الأنظمة الهشة يزداد الانفعال الحرج بقوة مع المزيد من المعالجة، بينما في الأنظمة القوية يكاد لا يتغير، رغم أن التفاعلات الميكروسكوبية تختلف على نحو واسع من نموذج لآخر.

من الجريان اللدن إلى نطاقات حادة

تعكس طريقة تراكم الإجهاد ثم هبوطه عند الانهيار هذا الانقسام أيضاً. تحافظ الزجاجات القوية على استجابة نسبياً ناعمة ولامعة للّدن، مع انخفاضات إجهاد متواضعة ومناطق تشوّه عريضة ومشتتة. في المقابل، تعرض الزجاجات الهشة هبوطات إجهاد كبيرة ومفاجئة تتزايد مع المعالجة الحرارية وترافقها نطاقات قص ضيقة ومتركزة بشدة حيث يتركز معظم الحركة. يتتبع المؤلفون عدد دورات التحميل التي يحتاجها الماديّ ليستقر في حالة متكرّرة وعدد إعادة الترتيبات البلاستيكية التي تحدث في الطريق. تحتاج الزجاجات القوية دورات أكثر وتخضع لمزيد من هذه الترتيبات مقارنة بالهشة في ظروف قابلة للمقارنة، ومع ذلك عبر جميع الأنظمة يتبع الزمن اللازم للوصول إلى سلوك مستقر نفس علاقة القوة البسيطة مع عدد الأحداث البلاستيكية، مما يوحي بآلية أساسية مشتركة.

نموذج بسيط يلتقط الاتجاهات

لفهم هذه النتائج المتنوعة، يبني المؤلفون نموذجاً متوسط المجال مرن-بلاستيكي يعامل المادة كمجموعة من الكتل الميكرية المستقلة، كل منها جاثم في منظر طاقة محلي. العنصر الحاسم هو كيف ينمو العائق الطاقي المتوسط لإعادة الترتيب كلما تحسّنت معالجة الزجاج. في الأنظمة الهشة ترتفع هذه الحواجز بسرعة مع المعالجة؛ في الأنظمة القوية تزداد فقط بشكل طفيف ثم تتشبّع. بهذا الاختلاف الوحيد، يعيد النموذج إنتاج مخططات الانهيار المتباينة، وتغير انفعال الانهيار، والفترات الزمنية المختلفة للزجاجات القوية والهشة. وبإدخال قيم الحواجز المستخرجة من بيانات زمن الاسترخاء المنفصلة، يتنبّأ النموذج حتى بكيفية ارتباط انفعال الانهيار الحرج للزجاج قليل المعالجة بالحواجز ذات الحرارة العالية ودرجة حرارة انتقال الزجاج.

ماذا يعني هذا للمواد الأقوى

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة المركزية أن كيفية انكسار مادة زجاجية تحت تحميل متكرر مشفّرة مسبقاً في كيفية تدفق سائلها الأصل. السوائل التي يتباطأ تدفقها بشدّة عند التبريد تنتج زجاجات يكون انفعال انهيارها وهشاشتها حساسين جداً لمدى العناية في تحضيرها، بينما السوائل «القوية» تؤدي إلى زجاجات سلوك انهيارها متين ومستقر. بربط هذه الخصال الميكانيكية بحواجز طاقية يمكن استنتاجها من قياسات طور السائل، يشير هذا العمل إلى طريق لتوقع وتعديل خواص الفشل للمواد اللّامبلورية، من الزجاجات المعدنية إلى المواد الجزيئية والحبيبية.

الاستشهاد: Chatterjee, R., Adhikari, M. & Karmakar, S. Role of fragility of the glass formers in the yielding transition under oscillatory shear. Nat Commun 17, 4506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71157-w

الكلمات المفتاحية: مواد لامبلورية, زجاج معدني, الانهيار, القص التذبذبي, هشاشة الزجاج